史學所要研究的就是“求事物變遷之跡而明其因果”，對史料的考證屬“求事物變遷之跡”的範疇，屬史學的基礎部分。要做好這一部分，方法就顯得尤為重要。王國維極重視研究方法，對西學的領悟讓他具有了世界學術的眼光。因而，他說：“故今日所最亟者，在授世界最進步之學問之大略，使知研究方法。”何為“最進步之學問”？在史學研究方麵無疑就是西方的實證主義方法。為此，他學以致用，建立了自己的考證方法——“二重證據法”。
二重證據法把考古學方法引入到了史學研究領域。考古出土的古器物、曆史遺存物具有可靠性、可信性。通過對曆史實物的研究，也使研究方向跳出了曆史文獻的範圍。在研究本身來說，曆史遺留物具有原始性、無修飾性，考古的成果也就能成為檢驗前人和今人曆史認知的判定依據，從而糾錯更新，甄別事實，澄清真相。同時，二重證據法是一種曆史比較研究方法。通過對考古得來的地下材料與已知的材料彼此比較分析，就能發現異同之處，並得出具體的、可信的結論來。王國維在曆史地理、古代祀典、製度、古文字辨析、甲骨斷代、甲骨綴合研究等方麵所取得的成就，就充分證明了“二重證據法”的科學性和實效性。
在甲骨文研究方麵，王國維是將甲骨學由文字學演進到史學的第一人。他先後撰寫了《殷卜辭中所見先公先王考》《殷卜辭中所見先公先王續考》《殷周製度論》《殷墟卜辭中所見地名考》《殷禮徵文》以及《古史新證》等。他將甲骨文同曆史古籍對比來研究，用卜辭補正書本記載的錯誤，從而得出嶄新的結論。
王國維既不疑古又不信古，在史學考證方麵，他將西方實證精神與具體實情相結合，從而得出為後人所信服的結論，開一代學術之先。
在研究西北地理和蒙古史方麵，王國維利用簡牘、敦煌文獻、碑文以及外國人的著述，加以比較、校勘、考證，寫出了有重大貢獻的論文。如《流沙墜簡序》《鬼方、昆夷、狁考》都是通過對地上和地下材料的比較、分析，而得出的見解和論斷。他考證出的蒙古地區古代遊牧部族突厥、回鶻族的曆史，就是結合碑文、墓誌銘而得出的。同時，在熟悉漢文書籍的基礎上，參考相關學者的專著，引用相關的外部資料而對比、甄別和糅合，進而得出翔實的結論的。
在戲曲史研究方麵，王國維更是摒棄或無視陋見，用一種嚴謹的學術態度來對待，從而創作出了《曲錄》《戲曲考源》《錄鬼簿校注》《優語錄》《唐宋大曲考》《錄曲餘談》《古劇腳色考》和《宋元戲曲考》等專著。在考證中，他不但將西方實證思想融入其中，先做分析考證，後做綜合論述，還將西方美學思想融入其中。
他說：“觀其會通，窺其奧窔者。”比如說，他對元曲非常推崇，常用美學和史學的眼光來評判它：“關漢卿一空倚傍，自鑄偉詞，而其言曲盡人情，字字本色，故當為元人第一。白仁甫、馬東籬，高華雄深，情深文明；鄭德輝清麗芊綿，自成馨逸，均不失為第一流。”“元劇自文章上言，優足以當一代之文學。又以其自然故，故能寫當時政治及社會情狀，足以供史家論世之資者不少。又曲中多用遺語，故宋金元三朝遺語，所存甚多。輯而存之，理而董之，自足為一專書。”
此外，王國維還運用實證和邏輯推演的方法，長期致力於《水經注》的研究校勘。他通過《水經注》宋刊殘本及明清以來的主要版本和抄本，不僅對《水經注》本身進行校勘，還能舉一反三，將研究所得知識和體會運用到古器物、古地理的考釋上，也為研究殷周秦漢曆史，包括西北史地和蒙古、元史方麵減少了阻力。
王國維是位知行合一之人，他的“學無中西”的觀點被運用到了他所涉獵的學術領域的方方麵麵。其目的當然是為了“求真”“求是”。他所要倡導的其實是一種人格平等的觀念，其意恐怕就是為了拆除中西學術之間的藩籬，消除時人對西方學術思想的那種極端認識——要麼隔膜和敵視，要麼膜拜和媚外，從而讓中西方學術之間能平等交流，進而彼此取長補短，相互促進。這也就是他所闡述的“餘謂中西二學，盛則俱盛，衰則俱衰。風氣既開，互相推助”的觀點。